先进高强度钢板冲压成形边缘破裂机理和预测模型研究

边缘破裂是金属板料冲压成形中一类常见的破裂现象。破裂边缘应力状态与单拉应力状态相似，但其极限应变并不与单拉应变极值相符。成形极限图对于大多数成形工艺都是适用的，但并不足以预测潜在的边缘破裂。对于第一代先进高强钢，已有的研究成果从工艺参数和微观结构方面实验观察了对扩孔率的影响，但并未明确其机理，也并未建立相关联的预测准则；对于第三代先进高强钢边缘断裂问题的研究尚未开展。本课题从微观结构参数入手，研究先进高强钢边缘断裂的诱发机理，分析材料性能参数、微观结构参数、断面质量、工艺参数、几何特征参数以及加载路径对边缘破裂的影响，观察温度、导热性、应变速率、预变形对受剪切变形影响区域材料微观结构的影响，提炼对边缘拉伸变形性能具有决定性影响因素的参数,基于连续介质力学建立先进高强钢边缘破裂的预测判据并与CAE软件相结合形成成形极限补充判据。研究成果将有助于阐明边缘破裂的产生机理，提高其数值模拟预测精度。

本项目针对边缘破裂问题开展了一系列的实验和理论研究，通过进行单向拉伸、冲孔、扩孔和胀形实验，对各工艺下破裂试样的断口形貌进行观察，分析了先进高强钢成形过程中破裂的类型及特征，定性及定量比较了不同材料在相同工艺条件下、同种材料在不同工艺条件下的断口形貌差异，以期进一步了解破裂的机理与规律；通过进行预变形、扩孔和高温单拉实验，探究预变形、曲率半径和冲裁热效应对高强钢边缘拉伸性能的影响；针对先进高强钢的边缘破裂提出了新的预测模型，可以改善传统理想模型无法准确预测边缘破裂的问题。主要研究成果如下：.（1）单向拉伸试验中DP590、DP780、DP980的断裂模式为韧窝型韧性断裂，MS1180和MS1300的断裂模式为介于韧窝断裂和解理断裂之间的准解理型断裂。冲孔实验中DP钢随着强度级别的升高，断裂带越来越光滑；对于MS1180和MS1300，断裂带由非常细小的拉裂韧窝组成，MS1180平均韧窝直径大约1.6μm，MS1300平均韧窝直径大约1.2μm。扩孔实验中五种高强钢破裂模式均为韧窝型韧性断裂，随着钢板强度级别的升高，平均韧窝直径减小，韧窝密度先增大后减小。在胀形实验中，DP780和DP980的断裂模式均为韧窝型韧性断裂。.（2）预变形导致的加工硬化会明显影响板料边缘的拉伸性能，且预变形量越大边缘拉伸性能越差。3%-9%的预变形量使DP780扩孔率下降约6%-12%； 0°方向3%-9%的预变形量使DP980扩孔率下降约5%-11%；90°方向预拉伸对DP980扩孔率的影响较小，扩孔率下降了约3%。.（3）对同种材料，边缘的曲率半径越小，拉伸性能越差。DP780孔径为15mm的扩孔率比孔径为9mm的扩孔率高5.09%；DP980孔径为15mm的扩孔率比孔径为9mm的扩孔率高6.26%。此外，DP980边缘成形性能对曲率变化的敏感程度要大于DP780。.（4）冲裁变形区的温度变化对薄板冲裁断面质量影响较小。.（5）基于M-K模型和Hill颈缩理论建立了新的有限元模型，适用于考虑冲裁损伤的边缘成形极限预测。通过冲孔和扩孔实验验证了新模型在预测边缘成形性能方面的优越性。.（6）引入法向应力，与M-K理论相结合，获得了能考虑法向应力影响的成形极限模型，法向应力提高应力和应变空间内描述的材料的成形极限，双线性应变路径下法向应力的作用阶段对材料的成形极限有显著的影响。